Способ очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, а также устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение может быть использовано в сельском хозяйстве при строительстве специализированных оросительных систем с использованием сточных вод и стоков животноводческих комплексов. Сущность изобретения: для повышения качества очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, а также для улучшения условий эксплуатации при реализации способа, поверхностные и дренажные воды подвергают многоступенчатой предварительной очистке посредством кустарниковой и травянистой растительности, затем используют их для разбавления сточных вод и смесь подвергают дополнительной очистке посредством высокостебельной высшей водной растительности, культивируемой на дне канала трапеции дальной формы поперечного сечения с бермами, причем на нижней берме осуществлена посадка растений, допускающих подтопление корневой системы, и кратковременное затопление их в период вегетации, а на верхней берме - посадка кустарниковой растительности. Дно канала выполнено в плане зигзагообразно, с чередованием участков с прямым, нулевым и обратным уклоном. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано, например, при строительстве специализированных оросительных систем с использованием сточных вод и стоков животноводческих комплексов.

Известна система очистки воды рек, содержащая в русле реки заросли высшей водной растительности и снабженная выполненными в прибрежной пойме русла реки искусственным руслом в виде отдельных участков, сообщенных с руслом реки и снабженных зарослями высшей водной растительности (авт. св. СССР N 1528746, кл. С 02 F 3/32, 1989).

Известную систему можно применять для дополнительной очистки вод водоприемника специализированной оросительной системы с использованием сточных вод. Но более рационально загрязненный сток и сточные воды очищать непосредственно во время транспортировки их по проводящим и собирающим мелиоративным каналам. При этом применение известной системы экономически и технологически нецелесообразно, т.к. при этом необходимо выполнять ряд участков с параллельными каналами, что связано со значительным увеличением объемов работ и трудностями в эксплуатации такой системы.

Известен способ биологической очистки воды в водоемах или участках водотоков, с переменным уровнем воды, включающий транспортирование очищаемой воды через заросли высшей водной растительности, причем по этому способу производят изменения расходов воды, обеспечивающие непрерывное и постепенное изменение уровней воды в зарослях высших растений от минимального, равного оптимальной глубине произрастания этих растений, до максимального, равного предельной глубине произрастания образующих заросли видов растений, и обратно от максимального уровня воды до минимального (авт. св. СССР N 1411295, кл. С 02 F 3/32, 1988). Этот способ является ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого технического решения.

Реализация этого способа возможна и при использовании в качестве водотока обычного мелиоративного канала с трапецеидальным поперечным сечением, снабженного высшей водной растительностью.

Недостатком этого способа является то, что его можно применять только при возможности оперативного регулирования расходов в заданных пределах, причем снижение их ниже заданного минимума или повышение выше заданного максимума не допускается. Это вызвано тем, что нормальное развитие высшей водной растительности обеспечивается при некоторых оптимальных (различных в зависимости от вида растений) глубинах воды. Хотя большинство видов высшей водной растительности выдерживает довольно длительное затопление даже в вегетационный период, оно действует на них угнетающее, а у некоторых видов растений, например у рогоза узколистного, затопление в определенные фазы его развития приводит к ухудшению развития семян, что ухудшает процесс размножения этих растений.

В мелиоративном канале обычно очень трудно обеспечить точное регулирование расходов и уровней воды, т.к. кроме специального назначения (например, транспортировки сточных вод), он обычно транспортирует поверхностный и дренажный сток с прилегающего водосбора, в том числе и загрязненный возвратный сток. При этом можно выделить следующие периоды с характерными уровнями и расходами воды (Маслов Б.С. и др. Справочник по мелиорации. М. Росагропромиздат, 1989,с.56): весенний паводок; предпосевной; летне-осенний дождевой паводок; бытовой (меженный) период.

Эти периоды характеризуются также различными скоростями движения воды в канале, причем высокие скорости движения воды приводят не только к ухудшению условий очистки, но могут привести к повреждению растений.

В подавляющем большинстве случаев наиболее загрязненным является сток бытового периода, т.к. в этот период наблюдается минимальные расходы воды, а следовательно, и наибольшая концентрация в ней вредных веществ. В период паводков вследствие разбавления стока чистой водой (за счет снеготаяния, выпадения осадков и т. д.) концентрация вредных веществ обычно не превышает предельно допустимой концентрации (ПДК).

Если канал предназначен и для транзитной транспортировки сточных вод, то в период паводка попуски их можно искусственно ограничить с целью достаточного разбавления чистой водой (до ПДК).

Следует отметить, что расходы бытового периода значительно меньше паводковых расходов, поэтому простое уширение канала по дну с целью снижения скоростей движения воды в нем может привести к тому, что уровни воды в нем в бытовой период будут меньшими оптимальных. Кроме того, если в этот период отсутствуют попуски в канал сточных вод и отсутствует (или резко снижен) поверхностный и дренажный сток вследствие засушливого периода, то в обычном канале возможно снижение уровня воды вплоть до нуля, а следовательно, сильное угнетение ВВР или даже ее гибель.

Таким образом, мелиоративный канал для транспортировки сточных вод и загрязненного возвратного стока с одновременной их очисткой и доочисткой должен обеспечивать пропуск паводковых вод без повреждения и существенного угнетения ВВР, а также обеспечивать максимальную эффективность очистки вод при пропуске расходов бытового периода. Известная конструкция не удовлетворяет одновременному выполнению этих требований.

Кроме того, применение известной конструкции для вышеуказанных целей приведет к значительным эксплуатационным расходам, т.к. канал будет заиляться взвешенными веществами, поступающими с прилегающего водосбора вследствие малых скоростей движения воды в нем, необходимых для эффективной очистки. Удаление же наносов сопряжено с повреждением ВВР.

Цель изобретения повышения качества очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, а также улучшение условий эксплуатации при реализации способа.

Поставленная цель достигается тем, что по способу очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, включающему транспортировку их в водоприемник по мелиоративному каналу с переменным расходом и уровнем воды и с одновременной очисткой посредством высшей водной растительности, загрязнений поверхностный и дренажный сток непосредственно в процессе поступления его в канал подвергают многоступенчатой предварительной очистке посредством кустарниковой и травяной растительности, а затем используют его для разбавления сточных вод, причем попуски сточных вод в канал ограничивают так, чтобы содержание вредных веществ в воде в конце канала не превышало предельно допустимой концентрации. При этом уровни и скорости движения воды в канале регулируют в зависимости от требуемой степени очистки вод, условий пропуска расчетного расхода и условий вегетации высшей водной растительности, а надземную и надводную массу высшей водной растительности сжигают во вневегетационный период.

Устройство для осуществления способа очистки сточных, загрязненных поверхностных вод содержит мелиоративный канал с поперечным сечением трапецеидеальной формы, откосы канала и бермы, на которых высажены высшие водные растения, причем нижняя берма выполнена на отметке уровня воды в канале в бытовой период, а верхняя на отметке уровня воды в канале в период летне-осеннего дождевого паводка. На дне канала высажены высокостебельные высшие водные растения, на нижней берме и расположенном между нижней и верхней бермой откосе канала высажены растения, допускающие подтопление корневой системы и кратковременное затопление их в период вегетации, на верхней берме осуществлена посадка кустарниковой растительности, а на откосах канала выше верхней бермы посев многолетних трав с увеличенной в 2 раза нормой высева. В качестве высокостебельных высших водных растений, высаженных на дно канала, применяют рогоз узколистый.

Кроме того, русло канала, расположенное глубже нижней бермы, может быть выполнено в плане зигзагообразно, а дно канала выполнено с чередованием участков с прямым, нулевым и обратным уклоном, но со средним уклоном в сторону водоприемника.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие существенные отличия от прототипа.

Загрязненный поверхностный, дренажный сток подвергают многоступенчатой предварительной очистке непосредственно в процессе поступления его в канал.

Предварительная очистка поверхностного и дренажного стока осуществляется посредством кустарниковой и травянистой растительности.

Предварительно очищенный поверхностный и дренажный сток используют для разбавления сточных вод.

Попуски сточных вод в канале ограничивают так, чтобы содержание вредных веществ в воде в конце канала не превышало предельно допустимую концентрацию (с учетом очистки сточных вод в канале и разбавления их поверхностными водами).

Уровни и скорости движения воды в канале регулируют в зависимости от требуемой степени очистки вод, условий пропуска расчетного расхода и условий вегетации высшей водной растительности.

Надземную и надводную массу высшей водной растительности сжигают во вневегетационный период.

Предлагаемое устройство для осуществления способа имеет следующие существенные отличия от прототипа.

Нижняя берма выполнена на отметке уровня воды в канале в бытовой период.

Верхняя берма выполнена на отметке уровня воды в канале в период летне-осеннего дождевого периода.

Посадка высокостебельной высшей водной растительности (рогоза узколистого) осуществлена только на дне канала.

На нижней берме и расположенном между нижней и верхней бермой откосе канала высажены растения, допускающие подтопление корневой системы и кратковременное затопление их в период вегетации, например осоковые.

На верхней берме осуществлена посадка кустарниковой растительности.

На откосах канала выше верхней бермы осуществлен посев многолетних трав с увеличенной в два раза нормой высева.

Русло канала, расположенное глубже нижней бермы, может быть выполнено в плане зигзагообразно.

Дно канала выполнено с чередованием участков с прямым, нулевым и обратным уклоном, но со средним уклоном в сторону водоприемника.

На фиг. 1 схематично показано устройство для осуществления способа; на фиг. 2 разрез поперек канала; на фиг. 3 то же, вид в плане.

Устройство состоит из канала трапецеидальной формы его поперечного сечения, с дном 1, с нижней бермой 2, выполненной на отметке уровня воды в канале в бытовой период, с верхней бермой 3, выполненной на отметке уровня воды в канале в период летне-осеннего дождевого паводка, с откосом 4 между нижней 2 и верхней 3 бермой и с откосом 5, расположенным выше верхней бермы 3 между бермой 3 и бровкой 6 канала.

На дне 1 канала высажены высокостебельные высшие водные растения 7, например рогоз узколистый, на берме 2 и откосе 4 растения 8, допускающие подтопление корневой системы и кратковременное затопление их в период вегетации, например осоковые, на берме 3 осуществлена посадка кустарниковой растительности 9, на откосе 5 посев многолетних трав 10 с увеличенной в 2 раза нормой высева. В прикорневой зоне кустарниковой растительности образованы валики 11. При кратковременном прекращении подачи в канал сточных, поверхностных и дренажных вод в нем будет поддерживаться уровень воды 12, при пропуске расхода бытового периода (с учетом попуска при необходимости расчетного количества сточных вод) расчетный уровень воды 13, при пропусках расхода летне-осеннего дождевого паводка (с учетом попуска при необходимости расчетного количества сточных вод) максимальный расчетный уровень воды 14.

Возможность выполнения способа поясняется следующим примером работы предлагаемого устройства. Загрязненный поверхностный сток, поступающий с прилегающего к каналу водосбора, стекает через бровку 6 и по откосу 5 подается на берму 3. На берме 3 вследствие резкого замедления скоростей движения происходит выпадение в осадок взвешенных в стоке веществ. Далее вода стекает по откосу 4 на берму 2, где также происходит ее очистка от взвешенных веществ. Густая травяная и кустарниковая растительность, работающая как фильтр, резко ускоряет процесс очистки стоков. Кроме того, кустарниковая растительность 9 задерживает включения (пожнивные остатки т.д.), поступающие при интенсивном стоке в результате ливней, снеготаяния т.д. Накапливаясь в прикорневой зоне кустарниковой растительности, они образуют дополнительный фильтр. В процессе эксплуатации на этом фильтре откладываются взвешенные вещества с образованием прикорневого валика 11, задерживающего сток на берме 3 и улучшающего условия выпадения в осадок взвешенных веществ, содержащихся в поверхностном стоке. При этом часть воды фильтруется непосредственно через валик 11 и берму 3, что улучшает процесс очистки. Для ускорения процесса фильтрации (если канал выполнен на слабопроницаемых грунтах) возможно устройство дополнительного дренажа под бермой 3 с выходом его в канал (например так, как это рекомендуется в авт. св. СССР N 1207438, кл. А 01 G 25/00, 1986).

Следует отметить, что посадка кустарниковой растительности 9 непосредственно за бровкой 6 канала (без устройства бермы 3) привела бы к задержке стока на поле, что недопустимо. Из этих соображений, а также для улучшения условий обработки поля определено положение кустарниковой растительности 9 на берме 3.

В процессе прохождения поверхностного стока по откосам и бермам происходит не только механическая, но частично биологическая его чистка.

Дренажный сток также поступает на откосы 5, 4 и бермы 3 и 2 канала. При наличии искусственного дренажа его, по возможности, выводят на берму 3, но допустимо выводить на берму 2, т.к. содержание в нем взвешенных веществ незначительно.

Проходя по каналу, предварительно очищенный поверхностный и дренажный сток подвергается дополнительной очистке посредством высшей водной растительности 7. При необходимости в канал осуществляют попуски сточной воды, которая смешивается с предварительно очищенным поверхностным и дренажным стоком и также очищается посредством высшей водной растительности 7.

Для улучшения условий очистки подачу стоков осуществляют переменным расходом, как это рекомендуется по способу, описанному в авт св. СССР N 1411295, кл. С 02 F 3/32, 1988. При этом осуществляется периодический контроль состава воды в конце канала, по которому определяют объем попуска сточной воды.

При значительных уклонах канала его русло, расположенное ниже бермы 2, выполняют при плане зигзагообразно, благодаря чему снижается фактический уклон, а следовательно, снижаются скорости движения воды в бытовой период. Поэтому увеличивается время контакта очищаемой воды с вышей водной растительностью, а также увеличивается уровень воды 13 в канале в этот период, что позволяет поддерживать его в оптимальных пределах.

Дно канала выполнено с чередованием участков с прямым, нулевым и обратным уклоном, благодаря чему в понижениях дна поддерживается некоторый уровень 12 воды, необходимый для жизнедеятельности высшей водной растительности даже в случае прекращения на некоторый период подачи в канал сточных, а также поверхностных и дренажных вод (по технологическим, метеорологическим и другим причинам). Следует отметить, что предварительная очистка загрязненного стока позволяет образовывать эти понижения без их существенного заиления. Переменный уклон дна, а также зигзагообразная его форма в плане создает переменные скорости движения воды, что улучшает условия ее аэрации, а следовательно, улучшает условия развития в канале комплекса гидробионтов.

При прохождении летне-осеннего паводка затапливается берма 2, благодаря чему увеличивается площадь живого сечения потока без значительного увеличения его глубины и скорости движения, поэтому высшая водная растительность 7 полностью не затапливается и не повреждается (регулирование уровней и скоростей движения воды в канале осуществляется за счет изменения параметров его поперечного сечения, в частности за счет изменения ширины берм 2 в зависимости от необходимых условий пропуска расчетного расхода).

Весенний паводок проходит во вневегетационный период, поэтому его уровень не лимитирован жизнедеятельностью водной растительности.

Во вневегетационный период, например зимний, надземную и надводную массу высшей водной растительности 7 сжигают, чем предотвращается избыточное накопление на дне канала отмерших органических остатков (и заиление ими дна канала на участках с нулевым и обратным уклоном), а также вредных веществ, содержащихся в них. При этом загрязнением атмосферы можно пренебречь, т.к. оно будет на несколько порядков меньшее, чем загрязнение водотоков. Следует также отметить, что в процессе горения часть вредных веществ, а также органическое вещество растений разлагаются или окисляются до практически безвредных, но при наличии технологической возможности предусматривают дополнительную уборку избытка высшей водной растительности,например ее скашивание.

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, включающий транспортировку их в водоприемник по мелиоративному каналу с переменным расходом и уровнем воды и с одновременной очисткой посредством высшей водной растительности, отличающийся тем, что загрязненный поверхностный и дренажный сток непосредственно в процессе поступления его в канал подвергают многоступенчатой предварительной очистке посредством кустарниковой и травяной растительности, а затем используют его для разбавления сточных вод, причем пропуски сточных вод в канал ограничивают так, чтобы содержание вредных веществ в воде в конце канала не превышало предельно допустимой концентрации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уровни и скорости движения воды в канале регулируют в зависимости от требуемой степени очистки вод, условий пропуска расчетного расхода и условий вегетации высшей водной растительности.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что надземную и надворную массу высшей водной растительности сжигают во вневегетационный период.

4. Устройство для очистки сточных, загрязненных поверхностных и дренажных вод, содержащее мелиоративный канал с поперечным сечением трапецеидальной формы, откосы канала и бермы, на которых высажены высшие водные растения, отличающееся тем, что нижняя берма выполнена на отметке уровня воды в канале в бытовой период, а верхняя на отметке уровня воды в канале в период летне-осеннего дождевого паводка, причем на дне канала высажены высокостебельные высшие водные растения, на нижней берме и расположенном между нижней и верхней бермой откосе канала высажены растения, допускающие подтопление корневой системы и кратковременное затопление их в период вегетации, на верхней берме осуществлена посадка кустарниковой растительности, а на откосах канала выше верхней бермы посев многолетних трав с увеличенной в 2 раза нормой высева.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на дне канала высажен рогоз узколистый, а на нижней берме и расположенном между нижней и верхней бермой откосе канала осока.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что русло канала, расположенное глубже нижней бермы, выполнено в плане зигзагообразным.

7. Устройство по п. 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что дно канала выполнено с чередованием участков с прямым, нулевым и обратным уклонами, но со средним уклоном в сторону водоприемника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3